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[국내논문] 크랭크축 경사도를 고려한 엔진 베어링의 유막거동에 관한 연구
On the Oil Film Behaviors of Engine Bearing Considering Crankshaft Misalignment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.9, 2010년, pp.3119 - 3124  

김한구 (다불산업(주) 기술연구소)

초록
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본 논문은 엔진 베어링에서 크랭크샤프트의 경사도를 고려했을 때와 고려하지 않았을 때 유막 동적거동을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 해석하였다. 본 해석은 탄성유체윤활 이론을 바탕으로 하여 최소유막의 동적특성을 수치적으로 해석하였다. 유막설계에 매우 중요한 인자인 크랭크샤프트 경사도를 고려하기 위하여 크랭크샤프트와 엔진베어링을 탄성체로 모델링 하였다. 유막거동해석을 위한 경계조건으로는 엔진 베어링에서 발생하는 비선형 구속력과 굽힘 모멘트를 고려하였고 이에 따른 크랭크샤프트의 경사도 영향을 고려함으로써 좀 더 실제 현상과 유사한 모델링을 수행하였다. 해석결과 엔진 베어링의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 최소유막두께가 크랭크샤프트의 경사도를 고려하지 않았을 때보다 고려하였을 때 16%에서 24%정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 해석결과에서와 같이 크랭크샤프트 경사도 증가는 최소유막두께의 감소를 유발하고 이에 따른 베어링 파손을 예측할 수 있었다. 따라서 본 논문의 해석결과가 자동차 엔진 베어링 설계 시 매우 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this paper is to analyze dynamic behaviors of the oil film thickness and engine bearings in both aligned and misaligned operation conditions of a crankshaft using computer simulation techniques. A crankshaft as an elastic body is modeled for a misaligned crankshaft which is very impor...

Keyword

#Engine bearing   #Minimum oil film thickness   #Misalignment  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 크랭크축 모멘트에 의해 발생하는 크랭크축의 경사도가 엔진 베어링 유막거동 특성에 어떠한 영향을 미치고 있는지를 파악하고자 레이놀즈 방정식과 운동 방정식을 연계하여 엔진 베어링의 유막두께, 압력분포와 크랭크축의 경사도(ψ)를 해석하였다.
  • 본 연구에서는 크랭크축에 발생하는 모멘트를 계산하여 적용함으로써 크랭크축의 경사도를 고려하지 않은 상태와 경사도를 고려한 상태에서 엔진 베어링의 윤활막 거동상태를 비교평가 하였다.

대상 데이터

  • 해석에 사용된 엔진 베어링은 직렬 4기통 가솔린 엔진에 장착된 것으로 행정은 92.8mm, 보어 크기는 80mm를 갖는다. 또한, 크랭크축의 변위가 가장 크게 발생하여 윤활조건이 가장 가혹한 3번째 엔진 베어링을 해석 대상으로 하였으며 엔진 베어링의 직경은 60mm, 폭은 19mm, 유막간극은 25㎛이다.
  • 8mm, 보어 크기는 80mm를 갖는다. 또한, 크랭크축의 변위가 가장 크게 발생하여 윤활조건이 가장 가혹한 3번째 엔진 베어링을 해석 대상으로 하였으며 엔진 베어링의 직경은 60mm, 폭은 19mm, 유막간극은 25㎛이다. 해석에 사용된 엔진 베어링의 유한요소모델과 물성치를 그림 2와 표 1에 보여주고 있다.

이론/모형

  • 엔진 베어링에 원활한 윤활유 공급이 이루어진다는 가정을 하게 되면, 베어링의 마찰면에는 유체 윤활막이 잘 형성이 되어 진다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 해석하려는 엔진 베어링은 유체윤활 방정식을 사용하여 해석하게 된다. 즉, 베어링의 윤활유막에 의해 지지되는 압력분포는 레이놀즈 방정식(Reynolds equation)을 사용하면 된다.
  • 따라서 본 연구에서 해석하려는 엔진 베어링은 유체윤활 방정식을 사용하여 해석하게 된다. 즉, 베어링의 윤활유막에 의해 지지되는 압력분포는 레이놀즈 방정식(Reynolds equation)을 사용하면 된다.
  • 유한요소해석에 의해 구해진 탄성 변형량으로부터 엔진 베어링에 발생하는 압력분포를 계산하고, 이 계산 결과로부터 베어링에 발생한 압력분포를 적분한 하중값과 운동 방정식으로부터 계산한 하중값을 비교하여 이들 계산치가 적당한 오차범위 이내에서 수렴하게 되면 엔진 베어링의 유막두께와 압력분포가 구해지게 된다. 이때 사용된 레이놀즈 방정식은 2차후방 차분법으로 이산화하여 가우스 자이델(Gauss-Seidel) 방법을 사용하였고, 운동 방정식은 뉴톤랩슨(Newton-Raphson)방법으로 계산하여 유막의 거동특성을 고찰하였다[6].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
엔진 베어링이 충분한 유막강도를 확보해야하는 이유는 무엇인가 최근 엔진은 고출력, 고속, 경량, 저공해 운전조건에 큰 관심을 가지고 신기술 개발을 추진하고 있으며 여기에 엔진의 내구성을 추가하면, 엔진 베어링은 대단히 가혹한 조건에서 운전되어 져야한다. 따라서 엔진 베어링이 피스톤으로부터 전달되는 변동하중을 효과적으로 담당하기 위해서는 충분한 유막강도를 확보하고 있어야 한다. 그렇게 되면, 피스톤은 안정된 왕복운동을 하고, 엔진은 가혹한 운전조건과 내구성을 모두 만족하게 된다[1].
엔진 베어링의 특징은 무엇인가? 엔진 베어링은 일반적으로 유체윤활(Hydrodynamic lubrication) 또는 부분적인 탄성유체윤활 (Elastohydrodynamic lubrication) 상태에서 운전되므로 내연기관의 트라이볼로 지적 요소(Tribological element) 중에서 가장 안정적으로 운전되는 핵심부품이다. 최근 엔진은 고출력, 고속, 경량, 저공해 운전조건에 큰 관심을 가지고 신기술 개발을 추진하고 있으며 여기에 엔진의 내구성을 추가하면, 엔진 베어링은 대단히 가혹한 조건에서 운전되어 져야한다.
엔진 베어링이 충분한 유막강도를 확보하면 어떠한 이점이 있는가? 따라서 엔진 베어링이 피스톤으로부터 전달되는 변동하중을 효과적으로 담당하기 위해서는 충분한 유막강도를 확보하고 있어야 한다. 그렇게 되면, 피스톤은 안정된 왕복운동을 하고, 엔진은 가혹한 운전조건과 내구성을 모두 만족하게 된다[1]. 엔진 베어링에서 기존의 윤활막 거동에 관한 연구[2,3]는 주로 크랭크축을 강체로 가정하여 간단하게 해석하였으나 조금 더 정확하게 엔진 베어링의 윤활막 거동을 예측하기 위해서는 크랭크축의 모멘트에 의해서 발생하는 경사도의 영향을 고려해야만 한다.
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참고문헌 (6)

  1. C. K. Kim, D. C. Han, "Finite Element Analysis to Analyzing the Oil Film Pressure Distribution due to Viscosity Conditions in Engine Bearing", J. of KSTLE, Vol. 11, No. 1, pp. 12-19, 1995. 

  2. H. H. Priebsch, J. Krasser, "Simulation of the Oil Film Behaviour in Elastic Engine Bearings Considering Pressure and Temperature Dependent Oil Viscosity", 23th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Vol. 32, pp. 651-659, 1997. 

  3. M.-T. Ma, G. Offner, B. Loibnegger, H. H. Priebsch, and I. R. W. McLuckie, "A fast approach to model hydrodynamic behaviour of journal bearings for analysis of crankshaft and engine dynamics", 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Vol. 43, pp.313-327, 2003. 

  4. B. S. Prabhu, "An Experimental Investigation on the Misalignment Effects in Journal Bearings", Tribology Trans. STLE, Vol. 40, No. 2, pp. 235-242, 1997. 

    상세보기 crossref

  5. EXCITE User's manual, Version 6.1, AVL, 2004. 

  6. Oliver Knaus, Bernhard Loibnegger, Hubert M. Herbst and Gudrun Kreuzwirth", Einfluss von Strukturdynamik und elastohydrodynamischer Lagerung auf die Pleuelgestaltung", MTZ, Jahrgang 63, pp. 546-554, 2002. 

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